Observaciones acerca de la electrostática se han hecho desde el comienzo de la historia de la ciencia. Por ejemplo, el descubrimiento de que objetos pueden ser cargado por medio de la fricción se le atribuye al científico griego Tales, hace unos 2600 años. En esos tiempos se frotaba un pedazo de seda contra un pedazo de ámbar, y se observaba que como efecto la seda se atraía al ámbar. Interesantemente, la palabra griega para ámbar es electrón. En los 1700's, Charles du Fay (físico y químico francés) descubrió que tanto los conductores como los aisladores se pueden "electrificar" (termino usado en ese entonces) y que habían dos tipos diferentes de "electrificación". Aunque el no pudo explicar estos efectos, otros científicos empezaron a desarrollar la idea de cargas positivas y negativas. Benjamin Franklin (físico americano) encontró que una varilla de cristal frotada con seda tenia una carga negativa, y que los materiales similares a la ebonita frotados con pelo de animal tenían una carga negativa. Además, otro de los descubrimientos de Franklin fue que una esfera conductora cargada no tiene el campo eléctrico adentro de si misma, sino que el campo y las cargas se encuentran por fuera de la esfera. Joseph Priestly logró deducir de esto que la fuerza entre dos cargas es inversamente proporcional a la distancia entre las cargas al cuadrado. A finales del siglo XIX J.J.Thomson encontró la presencia de una pequeña partícula a la que el llamo electrón. Experimentos demostraron que todos los electrones tienen la misma pequeña cantidad de carga y que están presentes en todos los átomos. También se encontró que los átomos tienen protones de la misma magnitud de carga que los electrones, pero su carga es opuesta. Esto significa que un átomo neutro tiene la misma cantidad de electrones que de protones.
CARGAS
Midiendo y definiendo carga:
La unidad de carga es el coulomb (C). Carga es una cantidad escalar. El coulomb se define como la carga transportada por una corriente de un (1) amperio en un (1) segundo.
Medidas demuestran que todos los electrones son identicos, y cada uno tiene una cantidad fundamental de carga conocida como carga electronica (o elemental), de valor 1.60 x10^-19 y se le da el simbolo e.
La carga eléctrica tiene las siguientes características:
1. Existen partículas con carga:
Positiva: protones (q+)
Negativa: electrones (q-)
Sin carga: neutrones
2. Cargas iguales se repelen; cargas opuestas se atraen.
3. Existe una carga fundamental: e=1.60 x10^-19 [C] Coulomb
q+= 1.60 x10^-19 C
q- =-1.60 x10^-19 C
4. La carga eléctrica esta cuantizada: q total = ne, donde n es un numero entero y e es la carga fundamental
5. La carga eléctrica en un sistema aislado es constante. Esto significa que la cantidad de carga se conserva. (Ejemplo: si 1000 electrones son removidos de una varilla cuando esta es cargada por un paño, el paño terminará con 1000 electrones de mas al final del proceso).
Métodos de transferencia de carga:
1. Transferencia por contacto: Se da cuando un elemento cargado toca un material con carga neta 0 (neutra), y despues del contacto ambos quedan con el mismo signo de carga.
2. Transferencia de carga por fricción: Se da cuando dos cuerpos se frotan y al final uno de ellos queda con carga positiva y el otro con carga negativa.
3. Transferencia de carga por induccion: Se da cuando dos cuerpos se cargan sin necesidad de que exista contacto entre ellos.
Figura 1- Ejemplo de transferencia por induccion
a) Se acerca una varilla con carga negativa a una esfera conductora sobre un estante insulador conectado a la tierra. La varilla separa las cargas de la esfera
b) Se hace polo a tierra y los electrones son repelidos a la tierra
c) Se rompe la conexion a la tierra, se remueve la varilla y los electrones son re-distribuidos para dejar a la esfera positiva despues de la nueva disposicion.
FUERZAS ENTRE OBJETOS CARGADOS/ LEY DE COULOMB
Ley de Coulomb: Mide la interacción entre dos o más cargas eléctricas que estan separadas a una distancia r.
En 1785, Coulomb publicó una serie de experimentos que el habia llevado a cabo para investigar los efectos de las fuerzas derivadas de las cargas. Encontró, experimentalmente que la fuerza entre dos cargas puntuales separadas por una distancia r es proporcional a 1/r2 confirmando la teoria de Priestley. Esta relación se conoce como una ley inversa del cuadrado.
Otros experimentos confirmaron que la fuerza es proporcional al producto del tamaño de las cargas puntuales q1 y q2. Combinando los resultados de Coulomb con esto nos da que
donde ∝ significa "es proporcional a" La magnitud de la fuerza F entre dos cargas puntuales de carga q1 y q2 separadas por una distancia r en el vacio se de por la siguiente ecuacion:
donde k es la constante de proporcionalidad (9 x10^9 Nm^2C^-2 ) conocida como la constante de Coulomb.
La constante k es frecuentemente citada de la siguiente manera:
La nueva constante ε0 se llama la permitividad del vacio. El 4π se agrega para racionalizar ecuaciones electricas y magneticas, es decir, para darles una forma similar y que asi se retenga la relacion importante entre estas.
La ecuación se convierte en
En esta ecuación ε0 toma el valor de 8.854 x10^-12 (C^2N^-1m^-2). Esta ecuación se aplica unicamente para cargas que se encuentran en el vacio. Si las cargas se encuentran en otro medio (aire, agua, etc.) entonces el valor de permitividad va a ser diferente, y su simbolo ya no sera ε0 sino ε.
*La permitividad del aire es de 8.8549 x10^-12. Este valor es tan cercano al valor del vacio que normalmente su utiliza 8.85 x10^-12 para ambos.
Figura 2 - Tabla de valores de permitividad de diferentes materiales Ya que la fuerza es un vector, su valor tiene también una dirección. La ecuación de fuerza puede determinar la dirección de esta. Por ejemplo, si tenemos dos cargas positivas, A y B (ver parte superior de la figura 3), y reemplazamos los valores positivos de estas dos cargas en q1 y q2 de la ecuación, el signo resultante de la fuerza actuando en la carga B debido a la carga A tendrá signo positivo también. Esto significa que a la fuerza se le asignará una dirección positiva (de izquierda a derecha, de la carga A hacia la carga B). Por otro lado, si se tienen dos cargas de signos opuestos, A (+) y B(-), entonces el producto de sus cargas es negativo y la dirección de la fuerza también será negativa, es decir, la fuerza en la segunda carga (B) será de derecha a izquierda. (ver parte inferior de la figura 3)
Figura 3- Direccion de las fuerzas (Las cargas de la izquierda son A, las cargas de la derecha son B) Video 1: Explicación de la Ley de Coulomb
CAMPO ELÉCTRICO
En algunas ocasiones se puede percibir de manera directa el origen de una fuerza que actúa entre dos cuerpos, ya que se puede percibir la existencia de contacto entre los cuerpos. Sin embargo, existen también ocasiones en las cuales hay fuerzas presentes entre los dos cuerpos aún si no hay contacto físico. Ejemplos de esto incluyen la atracción magnética entre dos imanes y la fuerza electrostática entre dos cuerpos cargados. El término "campo" es utilizado para este tipo de casos donde dos cuerpos separados ejercen fuerzas el uno al otro.
Definición: El campo eléctrico se define como una cantidad vectorial que mide la fuerza eléctrica por unidad de carga. Se crea por la atraccion o repulsion de cargas eléctricas que crean un flujo eléctrico. Este flujo incrementa cuando la distancia entre las cargas es menor, y decrece cuando la distancia es mayor.
Ecuaciones:
Donde:
E= Intensidad del campo eléctrico (unidad: N/C)
F= Fuerza (unidad: N)
q= Carga (unidad: C)
r= Distancia (unidad: m)
K= Constante de proporcionalidad = 9x10^9 (unidad: Nm2/C2)
Patrones del Campo Eléctrico: Michael Faraday introdujo la idea de líneas de campo. Estas líneas, aunque imaginarias, son útiles en cuanto a que ayudan a ilustrar y entender la naturaleza de un campo en particular. Hay que tener en cuenta los siguientes puntos al dibujar los patrones del campo eléctrico:
Las líneas empiezan y terminan en cargas de signo opuesto.
Una flecha es esencial para mostrar la dirección en la cual una carga positiva se movería. (Ejemplo: en el sentido contrario de la carga positiva y hacia la carga negativa)
Donde el campo es fuerte las líneas están mas juntas.
Las líneas nunca se cruzan.
Las líneas se encuentran con la superficie conductora a 90º
Ejemplos:
Figura 4
Figura 5
Intensidad del Campo Electrico: La intensidad del campo eléctrico se define usando el concepto de una carga positiva de prueba. Imaginemos una carga Q aislada en el espacio. Queremos saber cual es la intensidad del campo en un punto P, a una distancia r de la carga aislada. Ponemos otra carga, una carga positiva de prueba de tamaño q, en el punto P y medimos la fuerza F que actúa en la carga de prueba debido Q (ver figura 4). Por lo tanto la magnitud de la intensidad del campo eléctrico se define con la ecuación dada anteriormente (E= F/q).
Figura 6
La definición formal para la intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza por unidad de carga experimentada por una pequeña carga puntual positiva posicionada en ese punto.
Figura 2: Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.174). S.l.: Oxford University Press.
Figura 4: Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.177). S.l.: Oxford University Press.
Figura 6: Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.177). S.l.: Oxford University Press.
Información:
Glosario: Campo eléctrico. (n.d.). Retrieved May 7, 2015, from http://www.greenfacts.org/es/glosario/abc/campo-electrico.htm
Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.170-178). S.l.: Oxford University Press.
Observaciones acerca de la electrostática se han hecho desde el comienzo de la historia de la ciencia. Por ejemplo, el descubrimiento de que objetos pueden ser cargado por medio de la fricción se le atribuye al científico griego Tales, hace unos 2600 años. En esos tiempos se frotaba un pedazo de seda contra un pedazo de ámbar, y se observaba que como efecto la seda se atraía al ámbar. Interesantemente, la palabra griega para ámbar es electrón.
En los 1700's, Charles du Fay (físico y químico francés) descubrió que tanto los conductores como los aisladores se pueden "electrificar" (termino usado en ese entonces) y que habían dos tipos diferentes de "electrificación". Aunque el no pudo explicar estos efectos, otros científicos empezaron a desarrollar la idea de cargas positivas y negativas. Benjamin Franklin (físico americano) encontró que una varilla de cristal frotada con seda tenia una carga negativa, y que los materiales similares a la ebonita frotados con pelo de animal tenían una carga negativa. Además, otro de los descubrimientos de Franklin fue que una esfera conductora cargada no tiene el campo eléctrico adentro de si misma, sino que el campo y las cargas se encuentran por fuera de la esfera. Joseph Priestly logró deducir de esto que la fuerza entre dos cargas es inversamente proporcional a la distancia entre las cargas al cuadrado.
A finales del siglo XIX J.J.Thomson encontró la presencia de una pequeña partícula a la que el llamo electrón. Experimentos demostraron que todos los electrones tienen la misma pequeña cantidad de carga y que están presentes en todos los átomos. También se encontró que los átomos tienen protones de la misma magnitud de carga que los electrones, pero su carga es opuesta. Esto significa que un átomo neutro tiene la misma cantidad de electrones que de protones.
CARGAS
Midiendo y definiendo carga:
La unidad de carga es el coulomb (C). Carga es una cantidad escalar.
El coulomb se define como la carga transportada por una corriente de un (1) amperio en un (1) segundo.
Medidas demuestran que todos los electrones son identicos, y cada uno tiene una cantidad fundamental de carga conocida como carga electronica (o elemental), de valor 1.60 x10^-19 y se le da el simbolo e.
La carga eléctrica tiene las siguientes características:
1. Existen partículas con carga:
2. Cargas iguales se repelen; cargas opuestas se atraen.
3. Existe una carga fundamental: e=1.60 x10^-19 [C] Coulomb
4. La carga eléctrica esta cuantizada: q total = ne, donde n es un numero entero y e es la carga fundamental
5. La carga eléctrica en un sistema aislado es constante. Esto significa que la cantidad de carga se conserva. (Ejemplo: si 1000 electrones son removidos de una varilla cuando esta es cargada por un paño, el paño terminará con 1000 electrones de mas al final del proceso).
Métodos de transferencia de carga:
1. Transferencia por contacto: Se da cuando un elemento cargado toca un material con carga neta 0 (neutra), y despues del contacto ambos quedan con el mismo signo de carga.
2. Transferencia de carga por fricción: Se da cuando dos cuerpos se frotan y al final uno de ellos queda con carga positiva y el otro con carga negativa.
3. Transferencia de carga por induccion: Se da cuando dos cuerpos se cargan sin necesidad de que exista contacto entre ellos.
Figura 1- Ejemplo de transferencia por induccion
a) Se acerca una varilla con carga negativa a una esfera conductora sobre un estante insulador conectado a la tierra. La varilla separa las cargas de la esfera
b) Se hace polo a tierra y los electrones son repelidos a la tierra
c) Se rompe la conexion a la tierra, se remueve la varilla y los electrones son re-distribuidos para dejar a la esfera positiva despues de la nueva disposicion.
FUERZAS ENTRE OBJETOS CARGADOS/ LEY DE COULOMB
Ley de Coulomb: Mide la interacción entre dos o más cargas eléctricas que estan separadas a una distancia r.
En 1785, Coulomb publicó una serie de experimentos que el habia llevado a cabo para investigar los efectos de las fuerzas derivadas de las cargas. Encontró, experimentalmente que la fuerza entre dos cargas puntuales separadas por una distancia r es proporcional a 1/r2 confirmando la teoria de Priestley. Esta relación se conoce como una ley inversa del cuadrado.
Otros experimentos confirmaron que la fuerza es proporcional al producto del tamaño de las cargas puntuales q1 y q2. Combinando los resultados de Coulomb con esto nos da que
donde ∝ significa "es proporcional a"
La magnitud de la fuerza F entre dos cargas puntuales de carga q1 y q2 separadas por una distancia r en el vacio se de por la siguiente ecuacion:
donde k es la constante de proporcionalidad (9 x10^9 Nm^2C^-2 ) conocida como la constante de Coulomb.
La constante k es frecuentemente citada de la siguiente manera:
La nueva constante ε0 se llama la permitividad del vacio. El 4π se agrega para racionalizar ecuaciones electricas y magneticas, es decir, para darles una forma similar y que asi se retenga la relacion importante entre estas.
La ecuación se convierte en
En esta ecuación ε0 toma el valor de 8.854 x10^-12 (C^2N^-1m^-2). Esta ecuación se aplica unicamente para cargas que se encuentran en el vacio. Si las cargas se encuentran en otro medio (aire, agua, etc.) entonces el valor de permitividad va a ser diferente, y su simbolo ya no sera ε0 sino ε.
*La permitividad del aire es de 8.8549 x10^-12. Este valor es tan cercano al valor del vacio que normalmente su utiliza 8.85 x10^-12 para ambos.
Figura 2 - Tabla de valores de permitividad de diferentes materiales
Ya que la fuerza es un vector, su valor tiene también una dirección. La ecuación de fuerza puede determinar la dirección de esta. Por ejemplo, si tenemos dos cargas positivas, A y B (ver parte superior de la figura 3), y reemplazamos los valores positivos de estas dos cargas en q1 y q2 de la ecuación, el signo resultante de la fuerza actuando en la carga B debido a la carga A tendrá signo positivo también. Esto significa que a la fuerza se le asignará una dirección positiva (de izquierda a derecha, de la carga A hacia la carga B).
Por otro lado, si se tienen dos cargas de signos opuestos, A (+) y B(-), entonces el producto de sus cargas es negativo y la dirección de la fuerza también será negativa, es decir, la fuerza en la segunda carga (B) será de derecha a izquierda. (ver parte inferior de la figura 3)
Figura 3- Direccion de las fuerzas (Las cargas de la izquierda son A, las cargas de la derecha son B)
Video 1: Explicación de la Ley de Coulomb
CAMPO ELÉCTRICO
En algunas ocasiones se puede percibir de manera directa el origen de una fuerza que actúa entre dos cuerpos, ya que se puede percibir la existencia de contacto entre los cuerpos. Sin embargo, existen también ocasiones en las cuales hay fuerzas presentes entre los dos cuerpos aún si no hay contacto físico. Ejemplos de esto incluyen la atracción magnética entre dos imanes y la fuerza electrostática entre dos cuerpos cargados.
El término "campo" es utilizado para este tipo de casos donde dos cuerpos separados ejercen fuerzas el uno al otro.
Definición:
El campo eléctrico se define como una cantidad vectorial que mide la fuerza eléctrica por unidad de carga. Se crea por la atraccion o repulsion de cargas eléctricas que crean un flujo eléctrico. Este flujo incrementa cuando la distancia entre las cargas es menor, y decrece cuando la distancia es mayor.
Ecuaciones:
Donde:
E= Intensidad del campo eléctrico (unidad: N/C)
F= Fuerza (unidad: N)
q= Carga (unidad: C)
r= Distancia (unidad: m)
K= Constante de proporcionalidad = 9x10^9 (unidad: Nm2/C2)
Patrones del Campo Eléctrico:
Michael Faraday introdujo la idea de líneas de campo. Estas líneas, aunque imaginarias, son útiles en cuanto a que ayudan a ilustrar y entender la naturaleza de un campo en particular. Hay que tener en cuenta los siguientes puntos al dibujar los patrones del campo eléctrico:
Ejemplos:
Figura 4
Figura 5
Intensidad del Campo Electrico:
La intensidad del campo eléctrico se define usando el concepto de una carga positiva de prueba. Imaginemos una carga Q aislada en el espacio. Queremos saber cual es la intensidad del campo en un punto P, a una distancia r de la carga aislada. Ponemos otra carga, una carga positiva de prueba de tamaño q, en el punto P y medimos la fuerza F que actúa en la carga de prueba debido Q (ver figura 4). Por lo tanto la magnitud de la intensidad del campo eléctrico se define con la ecuación dada anteriormente (E= F/q).
Figura 6
La definición formal para la intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza por unidad de carga experimentada por una pequeña carga puntual positiva posicionada en ese punto.
Bibliografia:
Figura 1: Guerra-Vela, C. (n.d.). Experimento 1. Retrieved May 9, 2015, from http://www1.uprh.edu/clguve/labfis2/experimento1.htm
Figura 2: Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.174). S.l.: Oxford University Press.
Figura 3: Guerra-Vela, C. (n.d.). Experimento 1. Retrieved May 9, 2015, from http://www1.uprh.edu/clguve/labfis2/experimento1.htm
Figura 4: Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.177). S.l.: Oxford University Press.
Figura 5: Recursos educativos interactivos. (n.d.). Retrieved May 7, 2015, from http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=133188
Figura 6: Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.177). S.l.: Oxford University Press.
Video 1: Wissner-Gross, Z. (n.d.). Coulomb's law. Retrieved May 9, 2015, from https://www.youtube.com/watch?v=rYjo774UpHI
Información:
Glosario: Campo eléctrico. (n.d.). Retrieved May 7, 2015, from http://www.greenfacts.org/es/glosario/abc/campo-electrico.htm
Homer, D., & Bowen-Jones, M. (2014). Electricity and Magnetism. In Physics 2014: Course Companion. (2014 ed., p.170-178). S.l.: Oxford University Press.